[論文レビュー] Multi-epoch high-resolution spectroscopy of SN2011fe - Linking the progenitor to its environment

F. Patat, Martin Cordiner+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 47被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、SN 2011feの複数エポックにわたる高分解能分光観測を用い、周囲環境を調査し、前身星の性質と周囲物質を関連付ける。最小限の吸収変動と低減光度が、非巨星で、おそらく二重退化星系である前身星系に一致する澄んだ環境を示しており、100 AU未満のスケールのISM構造が存在する。

ABSTRACT

This study attempts to establish a link between the reasonably well known nature of the progenitor of SN2011fe and its surrounding environment. This is done with the aim of enabling the identification of similar systems in the vast majority of the cases, when distance and epoch of discovery do not allow a direct approach. To study the circumstellar environment of SN2011fe we have obtained high-resolution spectroscopy of SN2011fe on 12 epochs, from 8 to 86 days after the estimated date of explosion, targeting in particular at the time evolution of CaII and NaI. Three main absorption systems are identified from CaII and NaI, one associated to the Milky Way, one probably arising within a high-velocity cloud, and one most likely associated to the halo of M101. The Galactic and host galaxy reddening, deduced from the integrated equivalent widths (EW) of the NaI lines are E(B-V)=0.011+/-0.002 and E(B-V)=0.014+/-0.002 mag, respectively. The host galaxy absorption is dominated by a component detected at the same velocity measured from the 21-cm HI line at the projected SN position (~180 km/s). During the ~3 months covered by our observations, its EW changed by 15.6+/-6.5 mA. This small variation is shown to be compatible with the geometric effects produced by therapid SN photosphere expansion coupled to the patchy fractal structure of the ISM. The observed behavior is fully consistent with ISM properties similar to those derived for our own Galaxy, with evidences for structures on scales <100 AU. SN2011fe appears to be surrounded by a "clean" environment. The lack of blue-shifted, time-variant absorption features is fully consistent with the progenitor being a binary system with a main-sequence, or even another degenerate star.

研究の動機と目的

• 高分解能分光観測を用いて、SN 2011feの前身星系と周囲の銀河間物質（ISM）環境を関連付けること。
• 周囲星間物質（CSM）の特徴、例えば時間的に変化する吸収が、前身星の性質を制限できるかを特定すること。
• 分光観測によるISMのインプリントを分析することで、タイプIa超新星の発生率に寄与する異なる前身星チャネル（例：単一星対比・二重退化星系）の寄与度を評価すること。
• 観測方向や幾何的要因の影響を考慮し、ISM吸収が前身星の性質をどれだけ信頼できるプロキシとして使えるかを評価すること。
• 直接的な前身星研究が不可能な遠方の超新星において、同様のシステムを同定するためのベンチマークを提供すること。

提案手法

• SN 2011feの8日目から86日目までの12エポックにわたる高分解能分光観測を、Mercator、TNG、NOT、Copernicoの複数の望遠鏡を用いて取得した。
• 時間的変化を追跡するため、Ca iiおよびNa i吸収線の変化に注目し、変動する周囲星間物質または銀河間物質を検出することを目的とした。
• 等価幅（EW）を測定し、EWと減光度の関係を用いて、全減光度（EB−V）および成分別減光度を導出する。
• SN光球面の拡張が不規則で不連続なISM構造（フラクタル構造）と相互作用する理論モデルと、観測された吸収変動を比較した。
• 太陽系におけるヘルモセントリックドップラー補正と、21-cm H I線データからの径方向速度測定を用い、宿主銀河および銀河系成分を特定した。
• SN光球面の拡張が観測された吸収深さと幅に与える幾何的効果を評価し、ISM構造のスケール長を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SN 2011feの周囲星間物質環境には、前身星からの物質放出を示す時間的に変化する吸収特徴が見られるか？
• RQ2 銀河系、高速雲、および宿主銀河M101が、観測されたNa iおよびCa ii吸収成分にそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ3 観測された吸収変動は、不連続なISM構造におけるSN光球面の拡張予測と一致するか？
• RQ4 青方シフトで時間的に変化する吸収特徴が検出されないことは、前身星系に非退化で巨大な伴星が存在しないことを排除できるか？
• RQ5 観測されたISM環境は、SN 2011feが二重退化星系の前身星シナリオに一致する程度はどの程度か？

主な発見

• 3つの主要な吸収成分が特定された：銀河系由来（EB−V = 0.011 ± 0.002 mag）、高速雲由来、および宿主銀河M101由来（EB−V = 0.014 ± 0.002 mag）。
• 宿主銀河由来の吸収成分は約180 km s⁻¹に中心があり、SNの投影位置における21-cm H I線の速度と一致する。
• 宿主銀河由来Na i線の等価幅は、約3か月間で15.6 ± 6.5 mÅ変化した。これは、フラクタル構造のISMにおけるSN光球面拡張による幾何的効果と一致する。
• 観測された変動は、100 AU未満のスケールのISM構造を示す、銀河系と類似したISM性質と完全に整合する。
• 密度が高く質量の大きな周囲星間物質を示す顕著な青方シフトで時間的に変化する吸収特徴は検出されず、これは前身星が爆発前に顕著な質量損失を経ていないことを示唆する。
• 環境は、前身星系が爆発前に顕著な質量損失を経ていないことを支持しており、主系列星または退化星の伴星を伴う二重退化星系シナリオに一致する。